Что такое газовый разряд в физике

Электрический ток в газах

Электропроводность газов

Газы в обычных условиях – диэлектрики. Воздух используют в технике как изолятор:

– между обкладками конденсатора;

– в контактах выключателей.

При высокой температуре и под действием ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения (внешних ионизаторов) газы становятся проводниками.

В этом легко убедиться, если взять заряженный плоский воздушный конденсатор с подключенным к нему электрометром, и нагреть воздух между пластинами.

Природа газового разряда

При внесении пламени между пластинами воздушного конденсатора происходит ионизация газа и возникновение ионов и электронов. Под действием электрического поля они начнут упорядоченно двигаться между пластинами.

Протекание тока через газ называется газовым разрядом.

Газовый разряд, протекающий под действием ионизатора, называется несамостоятельным.

С увеличением разности потенциалов между пластинами кинетическая энергия электрона возрастает настолько, что при соударении его с нейтральной молекулой газа происходит выбивание электрона. Такой процесс называется ударной ионизацией молекул газа. Число электронов и ионов растет лавинообразно, что приводит к увеличению разрядного тока.

Газовый разряд, протекающий в отсутствии ионизатора, называется самостоятельным.

Интенсивность такого газового разряда зависит от напряженности электрического поля между пластинами и давления газа.

Вольтамперная характеристика газового разряда.

ОА – только часть заряженных частиц доходит до электродов, часть их рекомбинирует;

АВ – ток почти не увеличивается (ток насыщения);

ВС – самостоятельный разряд.

Виды газовых разрядов

Искровой разряд – это прерывистый самостоятельный лавинообразный разряд в газе, вызванный ударной ионизацией и сопровождающийся треском и ярким свечением. Искровой разряд возникает при условии, когда мощность источника недостаточна для поддержания непрерывного разряда.

Дуговой разряд впервые был получен в 1802 году российским академиком В. В. Петровым. При соприкосновении электродов в цепи возникает сильный ток короткого замыкания, что приводит к сильному нагреванию электродов. Затем электроды постепенно раздвигаются. Ток продолжает идти через межэлектродное пространство, заполненное высокотемпературной плазмой. Концы электродов раскаляются до 3000-4000 градусов и начинают испаряться.

Дуговой разряд является самостоятельным разрядом в газе и происходит за счет энергии термоэлектронной эмиссии с катода. Является источником сильного светового и ультрафиолетового излучения.

Тлеющий разряд возникает в разряженном газе при сравнительно невысоком напряжении в виде светящегося газового столба. Тлеющий разряд вызывается ударной ионизацией и выбиванием электронов из катода положительными ионами (вторичная ионизация).

Свечение при тлеющем разряде объясняется тем, что при рекомбинации молекул газа высвобождается энергия в виде светового излучения. Свечение будет иметь разные цвета в зависимости от вида газа.

Коронный разряд возникает в сильно неоднородных электрических полях. Например, вблизи острия напряженность электрического поля настолько велика, что ионизация электронным ударом возможна даже при атмосферном давлении. В этой области возникает характерное сферическое свечение в виде короны.

Применение газовых разрядов

Искровой разряд используется в технике в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания. Катушка зажигания дает напряжение 12-15 тысяч вольт. Это достаточно, чтобы между электродами свечи возникла искра для зажигания горючей смеси.

Разновидностью искрового разряда является молния.

Дуговой разряд применяется в качестве мощных источников света (прожекторов), в электроплавильных печах, для электросварки, для ультрафиолетовых излучателей.

Тлеющий разряд используется в рекламных газоразрядных трубках, в лампах дневного света, цифровых индикаторах.

В природе свечение разряженных газов наблюдается в виде полярного сияния.

Коронный разряд используется в электрофильтрах для очистки газов от примесей твердых частиц, в работе молниеотвода. В ЛЭП приводит к утечке электроэнергии.

В природе «корона» возникает иногда под действием атмосферного электричества на ветках деревьев, верхушках молниеотводов, мачт кораблей (огни святого Эльма).

Источник

Газовый разряд

Из Википедии — свободной энциклопедии

Га́зовый разря́д — совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через газы. Обычно протекание заметного тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы.

Ионизация может происходить, в частности, в результате столкновений электронов, ускорившихся в электрическом поле, с атомами или молекулами газа. При этом возникает лавинное размножение числа заряженных частиц, поскольку в процессе ударной ионизации образуются новые электроны, которые тоже после ускорения начинают участвовать в соударениях с атомами, вызывая их ионизацию.

Другой возможной причиной ионизации газа может быть электрическое поле высокой напряжённости (искровой разряд) или высокая температура (дуговой разряд). Для возникновения и поддержания устойчивого газового разряда требуется электрическое поле, так как холодная плазма существует, если электроны приобретают во внешнем поле энергию, достаточную для ионизации атомов, и количество вновь образованных ионов превышает число рекомбинировавших ионов.

Если для существования газового разряда необходима дополнительная ионизация за счёт внешних источников (например, при помощи ионизирующих излучений), то газовый разряд называется несамостоятельным (такие разряды используются в счётчиках Гейгера).

Для осуществления газового разряда применяют как постоянное во времени, так и переменное электрическое поле.

Источник

Электрические разряды в газах

Га́зовый разря́д — совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Обычно протекание тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы. Ионизация происходит за счёт столкновений электронов, ускорившихся в электромагнитном поле, с атомами газа. При этом возникает лавинное увеличение числа заряженных частиц, поскольку в процессе ионизации образуются новые электроны, которые тоже после ускорения начинают участвовать в соударениях с атомами, вызывая их ионизацию. Для возникновения и поддержания газового разряда требуется существование электрического поля, так как плазма может существовать только если электроны приобретают во внешнем поле энергию, достаточную для ионизации атомов, и количество образованных ионов превышает число рекомбинировавших ионов.

Для осуществления газового разряда применяют как постоянные во времени, так и переменные электрические поля.

Содержание

Применения газового разряда

Цвета тлеющих разрядов в различных газах

Газовый разряд в некоторых газах вызывают излучение видимого света, спектр которого зависит от использованного газа.

Газ	Цвет	Примечания
Гелий	Бело-оранжевый; при некоторых условиях может иметь серый, зеленовато-голубой или голубой оттенок	Используется художниками для специального освещения.
Неон	Красно-оранжевый	Яркое свечение. Часто используется в неоновых рекламных знаках и в неоновых лампах
Аргон	Фиолетово-голубой	Часто применяется совместно с парами ртути
Криптон	Сероватый тусклый грязно-белый. Может быть зеленоватым. В разрядах высокого напряжения яркий синевато-белый.	Используется художниками для специального освещения.
Ксенон	Сероватый или синевато-серый тусклый белый, в разрядах высокого напряжения в высоких пиковых потоках, очень яркий синевато-зелёный.	Используется в xenon flash lamps, xenon HID headlamps и xenon arc lamps, а также художниками для специального освещения.
Азот	Аналогично аргону, тусклее, с оттенком розового. В разрядах высокого напряжения, яркий сине-белый, белее аргона.
Кислород	Бледный фиолетово-лиловый, тусклее аргона.
Водород	Бледно-лиловый в разрядах низкого напряжения, розовато-красный пр разрядах более 10 миллиампер.
Водяной пар	Аналогично водороду. Менее яркое свечение
Диоксид азота	Слабый синевато-белый, в разрядах низкого напряжения ярче ксенона.
Пары ртути	Светло-голубой; интенсивное ультрафиолетовое излучение	В сочетании с люминофорами используется для получения света разных цветов. Широко используется во ртутных газоразрядных лампах
Пары натрия	Ярко жёлтый	Широко используется в натриевых газоразрядных лампах.

Моделирование газового разряда

На сегодняшний день проблема компьютерного моделирования процессов, происходящих в газовом разряде до конца не решена. Существуют лишь приближенные методы решения этой задачи. Одним из них является приближение Фоккера-Планка.

См. также

Полезное

Смотреть что такое «Электрические разряды в газах» в других словарях:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ — прохождение электрич. тока через газовую среду, сопровождающееся изменением состояния газа. Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление и т. д.), внеш. воздействий на газ, материалов, форм и расположения… … Физическая энциклопедия

электрические разряды в газах — ▲ электрический ток ↑ (быть) в, плазма искра, искровой разряд мгновенный электрический разряд. тлеющий разряд. кистевой разряд. коронный разряд. корона. дуговой разряд. электрическая дуга. вольтова дуга. страты. стриммер. стриммерный.… … Идеографический словарь русского языка

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В — ГАЗАХ прохождение электрич. тока через ионизованные газы, возникновение и поддержание ионизованного состояния под действием электрич. поля. Термин разряд возник от обозначения процесса разрядки конденсатора через цепь, включающую в себя газовый… … Физическая энциклопедия

РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ — (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ … Физическая энциклопедия

ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ — то же, что электрические разряды в газах. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия

Электрический разряд в газах — прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением состояния газа. Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление и т. д.), внешних воздействий… … Большая советская энциклопедия

Электрический разряд в газах — Газовый разряд совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Обычно протекание тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы.… … Википедия

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ — (источники света), преобразователи разл. видов энергии в эл. магн. энергию оптич. диапазона с условными границами 1011 1017 Гц, что соответствует длинам волн в вакууме от неск. мм до неск. нм. Естественными И. о. и. явл. Солнце, звёзды,… … Физическая энциклопедия

СПЕКТР — электромагнитного излучения, упорядоченная по длинам совокупность монохроматических волн, на которую разлагается свет или иное электромагнитное излучение. Типичный пример спектра хорошо известная всем радуга. Возможность разложения солнечного… … Энциклопедия Кольера

САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД — электрич. ток в газе, не требующий для своего поддержания действия внеш. ионизатора. С. р. образуется при достаточно высоком напряжении на электродах, когда начавшийся разряд создаёт необходимые для его поддержания ионы и эл ны (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ … Физическая энциклопедия

Источник

Газовый разряд

Содержание

Применения газового разряда

Цвета тлеющих разрядов в различных газах

Источник

Процесс ионизации

При стандартных условиях газообразные вещества являются диэлектриками. Это объясняется отсутствием в их структуре большого числа свободных частиц с разными зарядами. Стать электропроводным газ может лишь при условии его ионизации. Это явление представляет собой расщепление молекул на положительно и отрицательно заряженные частицы.

Ионизация возможна только под воздействием внешних факторов. Причины, влияющие на этот процесс, называются ионизаторами. Электроны, лишенные атомных связей, могут захватываться частицами с нейтральным зарядом, благодаря чему образуются положительные ионы. В электрическом газе, подвергшемся ионизации, в качестве носителей заряда присутствуют электроны, положительные и отрицательные ионы. Существует 3 типа ионизации:

Также необходимо рассмотреть еще одно явление, протекающее в ионизированных газах, — рекомбинацию. Ее суть сводится к восстановлению нейтральных ионов из разнозаряженных частиц. Процесс сопровождается выделением определенного количества энергии, показатель которой соответствует значению, израсходованному на ионизацию.

В результате могут проявляться различные явления, например, свечение. Это говорит о том, что возникновение электрического тока в газах обусловлено упорядоченным движением частиц с определенными зарядами. Это явление наблюдается лишь под воздействием внешнего поля. Можно сказать, что газ и электричество при определенных условиях являются вполне сочетаемыми понятиями.

Газовые разряды

Если поместить ионизированный газ в электрополе, то на свободные заряды начнут воздействовать электрические силы. Они всегда направлены параллельно линиям напряженности. В результате движение заряженных частиц из хаотичного становится упорядоченным — отрицательные движутся в направлении анода, а положительные — к катоду. После контакта с электродами частицы становятся нейтральными, так как отдали либо приняли электроны. В результате цепь замыкается, и появляется электроток.

Процесс прохождения электронного тока через газообразное вещество называют разрядом. В газообразных веществах сочетаются два вида проводимости — электронная и ионная.

Несамостоятельный и самостоятельный ток

Описанный кратко механизм возникновения тока в газах под воздействием внешнего поля представляет собой несамостоятельный разряд. После снятия внешнего воздействия электроток в газообразном веществе исчезает. Чтобы исследовать зависимости силы тока от напряжения, предстоит использовать стеклянную трубку, в которую впаяны электроды.

Если начать воздействовать на это устройство с помощью ионизатора, например, рентгеновского излучения, то в газе каждую секунду будет появляться некоторое количество пар свободных частиц с определенным зарядом. При отсутствии на клеммах электродов напряжения сила тока окажется равной нулю. Создав небольшую разницу потенциалов, можно заставить заряженные частицы упорядочено перемещаться, что приведет к появлению газового разряда.

Но из-за рекомбинации не все образованные в результате процесса ионизации ионы смогут дойти до электродов. Часть этих частиц приобретет нейтральный заряд. При увеличении разности потенциалов число заряженных ионов и электронов будет возрастать. При достижении определенного напряжения все заряженные частицы доберутся до электродов. Это позволяет говорить о том, что электроток достиг насыщения.

В результате вольт-амперная характеристика при появлении несамостоятельного тока становится нелинейной. Говоря проще, закон Ома в газах работает лишь при небольшой разнице потенциалов.

Если после достижения насыщения тока продолжить увеличивать напряжение на электродах, то при большой разнице потенциалов его сила начнет стремительно возрастать. Это связано с тем, что в газообразном веществе образуются дополнительные заряженные частицы сверх тех, что появляются под воздействием ионизатора. В определенный момент необходимость использования внешнего поля для поддержания разряда отпадет.

Такой электрический ток называется самостоятельным. Величина, при которой несамостоятельный ток становится самостоятельным, называется напряжением пробоя. Электроны, получая ускорение от электрополя, сталкиваются на траектории своего движения с нейтральными частицами.

В ситуации, когда кинетическая энергия электронов превышает показатель энергии Wi, наблюдается ионизация молекул. При этом основную работу в образовании самостоятельного разряда выполняют электроны. В физике принято выделять 4 вида самостоятельного тока:

Понятие плазмы

Плазма представляет собой полностью либо частично ионизированный газ, в котором плотность противоположно заряженных частиц примерно одинакова. Для определения степени ионизации (α) используется следующая формула: α = Ni / N. Здесь Ni представляет собой число ионизированных атомов, а N — общее количество частиц.

Примером слабо ионизированной плазмы является ионосфера Земли. Звезды, включая Солнце, плотно ионизированы. Плазма обладает рядом уникальных свойств, что делает необходимым рассматривать ее в качестве особого состояния веществ, таких как, например, жидкость.

Сегодня сложно представить человеческую цивилизацию без электричества. С его помощью люди освещают и обогревают дома, отправляют сообщения и т. д. Применение электрического тока в газах многообразно. Например, газовый электроток используется для освещения помещений, при сварке, в металлургии и т. д. Если управлять движением плазмы, то ее можно использовать в качестве рабочего тела. Так, несколько лет назад большой популярностью пользовались плазменные телевизоры.

Источник